Коагуляция частиц в гомогенном или гетерогенном аэрозоле происходит за счет различных физических процессов. Столкновения частиц происходят при тепловом броуновском движении и гравитационном оседании, вызываются ветром и турбулентностью. Процесс броуновской коагуляции наиболее эффективно идет в смесях частиц субмикронного размера и менее существен для смесей, состоящих из частиц размером более 1 мкм (Pruppacher, Klett, 1980). Коагуляция более крупных частиц происходит главным образом при их столкновениях. В ламинарных и турбулентных потоках эти частицы могут двигаться с различными относительными скоростями и их траектории не совпадают с криволинейными линиями тока. Гравитационная коагуляция обусловлена различной скоростью оседания частиц разного размера, при этом крупные частицы могут догонять и захватывать более мелкие. Для эффективного протекания данного процесса необходимо, чтобы скорости частиц значительно отличались. Из участвующих в столкновении частиц, следовательно, по крайней мере одна должна быть большого размера. Относительная роль различных механизмов коагуляции характеризуется кривыми.
Чтобы при сближении частиц произошла коагуляция, они должны столкнуться и прилипнуть друг к другу. Частицы субмикронного размера, характеризуемые малым эффективным числом Стокса, движутся вдоль линий тока. Столкновение такой частицы с какой-либо поверхностью может произойти, если частица продиффундирует к ней сквозь ламинарный пограничный слой, образующийся при обтекании препятствия потоком воздуха. Однако коэффициент диффузии аэрозоля (сравнительно) очень мал, поэтому из-за малого времени пребывания частицы в пограничном слое столкновения не происходят. Более крупные частицы могут пересекать линии тока и сталкиваться с поверхностью.
Столкнувшиеся частицы могут удерживаться вместе за счет действия различных сил. Частицы сухого субмикронного аэрозоля удерживаются вандерваальсовскими поверхностными силами. Под действием сил поверхностного натяжения капли могут сливаться в более крупные, а сухие частицы — смачиваться. В аэрозолях, состоящих из крупных сухих частиц, обладающих достаточным электрическим зарядом, за счет кулоновских сил может эффективно происходить кластеризация. Химические вещества, сконденсировавшиеся на поверхности частиц, могут цементировать и скреплять их агломераты.
Однако при соударении частицы не всегда слипаются. Они могут разлететься или при большой относительной скорости расколоться с образованием более мелких частиц (Rosinski, Lunger, 1974).
Как отмечалось выше, при горении нефти и пластмасс образуются сажевые агрегаты значительного размера (Day el ai, 1979). При высокотемпературном горении органических веществ, происходящем в условиях недостатка кислорода, образуются зародыши сажевых частиц в виде концентрированного аэрозоля, состоящего из сфероидальных частиц аморфного углерода диаметром примерно 50 нм (Wagner, 1980). Электрически заряженные сфероиды кластеризуются, образуя цепочечные структуры, при коагуляции которых позднее формируются «пушинки» сажи. Если перемешивание дыма и чистого воздуха происходит достаточно быстро, то размеры цепочек остаются весьма малыми (менее 1 мкм). Если дым очень густой, то из цепочек могут образовываться агрегаты гораздо большего размера (более 10 мкм). Скорость «разбавления» дыма чистым воздухом является важным параметром при оценке размера образующихся частиц (NRC, 1985). Размер кластеров при типичных значениях скорости перемешивания обычно сравнительно невелик. Тем не менее ожидается, что крупные пожары нефтехранилищ, когда более 10% дыма составляет сажа, будут сопровождаться образованием большого количества частиц, размеры которых превышают 1 мкм. Вымывание таких больших частиц может происходить довольно эффективно. В настоящее время характеристики всех этих процессов изучены недостаточно полно (как теоретически, так и экспериментально).
Важно отметить, что аэродинамические и оптические свойства сажевых агломератов отличаются от свойств сферических частиц той же массы. Эффективное аэродинамическое сечение этих структур (при данной массе) чрезвычайно велико. Поэтому скорость оседания у них меньше, а взаимодействие с поверхностями слабее, чем можно ожидать для частиц такого размера. Большое аэродинамическое сечение агломератов частиц сажи может привести к увеличению скорости коагуляции этих частиц (Ваит, Mulholland, 1984). Размеры частиц, составляющих аэрозоль, определяются на основе анализа их подвижности или оптических свойств взвеси. Насколько нам известно, для сажевых аэрозолей градуировка соответствующих приборов не проводилась, поэтому в тех ситуациях, когда возможно образование сажевых кластеров, следует осторожно относиться к результатам подобных измерений.
Мощный ветер, вызванный большими пожарами, вместе с дымом и сажей поднимает в атмосферу пепел, пыль и т. п. Оседая, крупные частицы могут захватывать субмикронные частицы дыма и вместе с ними выпадать на поверхность. В работах Турко и др. (Turco et ai, 1983а, b), посвященных исследованию глобальных последствий ядерной войны, предполагалось, что в пожарах вместе с дымом в атмосферу попадет небольшое количество пепла и значительное количество пыли, поднятой наземными взрывами. При описании взаимодействия дыма, пепла и пыли учитывались процессы броуновской, гравитационной, турбулентной и инерционной коагуляции (Pruppacher, Klett, 1980). Оказалось (Turco et ai, 1983a, b), что на скорость удаления дыма из атмосферы как непосредственно после выброса, так и в течение более продолжительного времени эти процессы влияют слабо.
Позднее исследование процессов удаления дыма из атмосферы при его взаимодействии с крупными частицами, особенно в факеле «огненного шторма», было проведено Порчем и др. (Porch et ai, 1985). Рассматривалась скорость диссипации турбулентной энергии, лежащая в пределах от 0,1 м2/с3 — значения, типичного для конвекции в грозовом облаке, до 0,8 м2/с3 — значения, рассчитанного на основе данных, которые были получены при моделировании большого пожара (Cotton, 1985). В модели Порча и др. (Porch et ai, 1985) использовалось упрощенное описание процессов турбулентной коагуляции, в котором не учитывалось гидродинамическое взаимодействие между -частицами разного размера, что, как правило, приводит к уменьшению эффективного сечения захвата (Pruppacher, Klett, 1980). В этой модели, однако, не учитывались и эффекты, которые могут увеличивать сечение захвата: электризация частиц и большая в сравнении с компактной частицей той же массы площадь поверхности у сажевых структур.
Концентрация частиц в факелах не очень больших пожаров составляет 0,1 г/м3 (Radke et al., 1978). При такой концентрации за время порядка 30 мин оптическая толщина дыма почти не убывает. Кроме того, в сильно турбулентных областях факела частицы дыма, вероятно, будут находиться меньшее время. Для того чтобы за счет процессов коагуляции оптическая толщина дыма уменьшилась вдвое, концентрация крупных частиц в рассматриваемой модели (Porch et al., 1985) должна иметь примерно в 50 раз большую величину. Такие уровни концентрации наблюдаются в приземном слое воздуха при (не очень интенсивных) пыльных бурях. Для поддержания такой высокой концентрации крупных частиц требуется относительно высокая скорость ветра, сдувающего с поверхности пыль, пепел и т. п. Подобные условия могут сформироваться в «огненном шторме», когда возникают очень сильные ветры, направленные к центру пожара (такая ситуация могла сложиться, например, в Гамбурге). Таким образом, если «огненных штормов» будет сравнительно мало (как это было во вторую мировую войну), то процессы коагуляции слабо повлияют на общее количество дыма, выброшенного в атмосферу. Если же их будет много, то, по-видимому, понадобится более подробное исследование этих процессов.
Чтобы при сближении частиц произошла коагуляция, они должны столкнуться и прилипнуть друг к другу. Частицы субмикронного размера, характеризуемые малым эффективным числом Стокса, движутся вдоль линий тока. Столкновение такой частицы с какой-либо поверхностью может произойти, если частица продиффундирует к ней сквозь ламинарный пограничный слой, образующийся при обтекании препятствия потоком воздуха. Однако коэффициент диффузии аэрозоля (сравнительно) очень мал, поэтому из-за малого времени пребывания частицы в пограничном слое столкновения не происходят. Более крупные частицы могут пересекать линии тока и сталкиваться с поверхностью.
Столкнувшиеся частицы могут удерживаться вместе за счет действия различных сил. Частицы сухого субмикронного аэрозоля удерживаются вандерваальсовскими поверхностными силами. Под действием сил поверхностного натяжения капли могут сливаться в более крупные, а сухие частицы — смачиваться. В аэрозолях, состоящих из крупных сухих частиц, обладающих достаточным электрическим зарядом, за счет кулоновских сил может эффективно происходить кластеризация. Химические вещества, сконденсировавшиеся на поверхности частиц, могут цементировать и скреплять их агломераты.
Однако при соударении частицы не всегда слипаются. Они могут разлететься или при большой относительной скорости расколоться с образованием более мелких частиц (Rosinski, Lunger, 1974).
Как отмечалось выше, при горении нефти и пластмасс образуются сажевые агрегаты значительного размера (Day el ai, 1979). При высокотемпературном горении органических веществ, происходящем в условиях недостатка кислорода, образуются зародыши сажевых частиц в виде концентрированного аэрозоля, состоящего из сфероидальных частиц аморфного углерода диаметром примерно 50 нм (Wagner, 1980). Электрически заряженные сфероиды кластеризуются, образуя цепочечные структуры, при коагуляции которых позднее формируются «пушинки» сажи. Если перемешивание дыма и чистого воздуха происходит достаточно быстро, то размеры цепочек остаются весьма малыми (менее 1 мкм). Если дым очень густой, то из цепочек могут образовываться агрегаты гораздо большего размера (более 10 мкм). Скорость «разбавления» дыма чистым воздухом является важным параметром при оценке размера образующихся частиц (NRC, 1985). Размер кластеров при типичных значениях скорости перемешивания обычно сравнительно невелик. Тем не менее ожидается, что крупные пожары нефтехранилищ, когда более 10% дыма составляет сажа, будут сопровождаться образованием большого количества частиц, размеры которых превышают 1 мкм. Вымывание таких больших частиц может происходить довольно эффективно. В настоящее время характеристики всех этих процессов изучены недостаточно полно (как теоретически, так и экспериментально).
Важно отметить, что аэродинамические и оптические свойства сажевых агломератов отличаются от свойств сферических частиц той же массы. Эффективное аэродинамическое сечение этих структур (при данной массе) чрезвычайно велико. Поэтому скорость оседания у них меньше, а взаимодействие с поверхностями слабее, чем можно ожидать для частиц такого размера. Большое аэродинамическое сечение агломератов частиц сажи может привести к увеличению скорости коагуляции этих частиц (Ваит, Mulholland, 1984). Размеры частиц, составляющих аэрозоль, определяются на основе анализа их подвижности или оптических свойств взвеси. Насколько нам известно, для сажевых аэрозолей градуировка соответствующих приборов не проводилась, поэтому в тех ситуациях, когда возможно образование сажевых кластеров, следует осторожно относиться к результатам подобных измерений.
Мощный ветер, вызванный большими пожарами, вместе с дымом и сажей поднимает в атмосферу пепел, пыль и т. п. Оседая, крупные частицы могут захватывать субмикронные частицы дыма и вместе с ними выпадать на поверхность. В работах Турко и др. (Turco et ai, 1983а, b), посвященных исследованию глобальных последствий ядерной войны, предполагалось, что в пожарах вместе с дымом в атмосферу попадет небольшое количество пепла и значительное количество пыли, поднятой наземными взрывами. При описании взаимодействия дыма, пепла и пыли учитывались процессы броуновской, гравитационной, турбулентной и инерционной коагуляции (Pruppacher, Klett, 1980). Оказалось (Turco et ai, 1983a, b), что на скорость удаления дыма из атмосферы как непосредственно после выброса, так и в течение более продолжительного времени эти процессы влияют слабо.
Позднее исследование процессов удаления дыма из атмосферы при его взаимодействии с крупными частицами, особенно в факеле «огненного шторма», было проведено Порчем и др. (Porch et ai, 1985). Рассматривалась скорость диссипации турбулентной энергии, лежащая в пределах от 0,1 м2/с3 — значения, типичного для конвекции в грозовом облаке, до 0,8 м2/с3 — значения, рассчитанного на основе данных, которые были получены при моделировании большого пожара (Cotton, 1985). В модели Порча и др. (Porch et ai, 1985) использовалось упрощенное описание процессов турбулентной коагуляции, в котором не учитывалось гидродинамическое взаимодействие между -частицами разного размера, что, как правило, приводит к уменьшению эффективного сечения захвата (Pruppacher, Klett, 1980). В этой модели, однако, не учитывались и эффекты, которые могут увеличивать сечение захвата: электризация частиц и большая в сравнении с компактной частицей той же массы площадь поверхности у сажевых структур.
Концентрация частиц в факелах не очень больших пожаров составляет 0,1 г/м3 (Radke et al., 1978). При такой концентрации за время порядка 30 мин оптическая толщина дыма почти не убывает. Кроме того, в сильно турбулентных областях факела частицы дыма, вероятно, будут находиться меньшее время. Для того чтобы за счет процессов коагуляции оптическая толщина дыма уменьшилась вдвое, концентрация крупных частиц в рассматриваемой модели (Porch et al., 1985) должна иметь примерно в 50 раз большую величину. Такие уровни концентрации наблюдаются в приземном слое воздуха при (не очень интенсивных) пыльных бурях. Для поддержания такой высокой концентрации крупных частиц требуется относительно высокая скорость ветра, сдувающего с поверхности пыль, пепел и т. п. Подобные условия могут сформироваться в «огненном шторме», когда возникают очень сильные ветры, направленные к центру пожара (такая ситуация могла сложиться, например, в Гамбурге). Таким образом, если «огненных штормов» будет сравнительно мало (как это было во вторую мировую войну), то процессы коагуляции слабо повлияют на общее количество дыма, выброшенного в атмосферу. Если же их будет много, то, по-видимому, понадобится более подробное исследование этих процессов.
